污染淤泥固化稳定化处理及种植性能试验

史燕南，占 川，张超杰，吴文华，杨 炜

(1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020)

为了改善和提升水环境、水生态，增加调蓄库容、提高行洪排涝能力和航运能力，清淤疏浚成为河湖库塘治理的常用方法之一。近年来，水利部加大河湖长制建设，加强河湖黑臭水体治理，如太湖、滇池、巢湖、鄱阳湖等重要湖泊，以及河道、水库等，每年均有大量淤泥产生[1-2]，其中大部分疏浚淤泥用于农田施肥、鱼塘回填、废弃矿坑复垦等。

疏浚淤泥普遍具有含水率高、固结难、体积大的特点。城镇水底淤泥在很大程度上受到有机物、营养盐、重金属或难降解高分子有机物的污染，若未及时处理，大量污染淤泥直接堆放并用于农业生产，极易对土壤环境、水环境等造成污染[3]，甚至对食物链造成威胁[4]，因此，受到污染的淤泥处置备受水利、岩土、环境等多学科的研究者们关注。

固化稳定化技术能改善淤泥的物理力学性质，并将游离态的有毒有害物质稳固于固化体中，减少污染物的溶出[5-6]。国内外在固化材料筛选、有机质含量对固化淤泥影响、力学性质变化、水分转化、氮磷和重金属释放等方面进行了较多的研究[7-15]，但对污染疏浚淤泥固化稳定化处理后进行种植应用的研究较少。疏浚淤泥中含有丰富的营养物质可被植物利用[16-17]，但干化后的疏浚淤泥孔隙率低、易板结，影响植物根部吸水、呼吸和无机盐的吸收等，不宜直接进行种植。为了探讨污染疏浚淤泥的种植利用可行性，本文对重金属污染的淤泥进行固化稳定化配比试验，通过改变固化稳定化试剂掺量调节土体pH、孔隙、重金属溶出浓度等，解决重金属溶出超标、土壤板结不透气等问题；通过羽衣甘蓝等绿化植物种植试验研究植物生长特性，探索重金属固化稳定化机理，并筛选出适宜羽衣甘蓝等绿化植物的最佳种植配比方案，为污染淤泥进行种植利用提供更多可能性。

1 试验材料的物理、化学性质

试验淤泥来自浙江省某城市湖荡淤泥。经勘测，该湖荡平均淤积厚度为42 cm，因此现场采样时，主要采集其岸边约3～5 m处0～50 cm的淤泥。淤泥存在部分有分层情况，整体呈黑色，有强烈的腐臭味。采样后立即将淤泥封装于PVC桶，防止淤泥失水。

1.1 淤泥物理性质

该湖荡淤泥为高含水率的流泥，具流动性，自身强度极低，渗透性小；湖荡淤积层均为高压缩性、低强度的超软土，作为堆场直接填土其固结性能极差。淤泥的颗粒组成以粉粒、黏粒和胶粒等为主，其中粒径小于等于0.005 mm的淤泥颗粒含量约为45%，中值粒径d50=0.006 mm，具体性质见表1和表2。

表1 淤泥颗粒组成

表2 淤泥物理性质

表3 自然干化后淤泥浸出液重金属检测结果 mg/L

1.2 淤泥污染特性

该湖荡长期受纳周围居民生活、企业生产排放的部分污水，淤泥中部分重金属超出可直接农业利用范围，具体检测结果：pH为6.85，有机物为85.4 g/kg,全氮0.341%,氨氮为104 mg/kg,总磷为1 060 mg/kg,铜为1 079 mg/kg,锌为208 mg/kg,铅为104 mg/kg,镉为0.27 mg/kg，镍为45 mg/kg，汞为0.389 mg/kg，砷为18.3 mg/kg，总铬为73 mg/kg，六六六为0.098 mg/kg，滴滴涕未检出(ND)，总大肠菌群为8.5×105MPN/kg，细菌总数为9.9×107个/kg。其铜含量为1 079 mg/kg，对照GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[18]，远高于农用地土壤污染风险筛选值200 mg/kg(果园)、100 mg/kg(其他)。该淤泥对农产品质量、农作物生长或土壤生态环境可能存在风险，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测，原则上应当采取安全利用措施。但是，稳定在土壤中的重金属对生物生长影响并不大[19]，因此需要了解溶出的重金属浓度。自然干化后淤泥浸出质量浓度检测结果如表3所示。浸出液pH为6.9，铜、铅、镉离子质量浓度符合地表水Ⅴ类标准。

1.3 主要材料

粉煤灰：二级灰，粉末状，呈灰白色，pH为8.6，密度为2.2 g/cm3。石灰：浙江省建德市莲花化工有限公司的分析纯CaO(≥98%)，白色或微带黄色的不定形块状或粒状粉末，在湿空气中易吸收二氧化碳及水分，遇水生高热，pH为12.7，分子量为56.08。

高岭土：氧化硅含量为45%，pH为7.8，规格为600目。

碳酸钠：杭州高晶精细化工有限公司生产的分析纯Na2CO3，白色粉末，暴露于空气中逐渐吸水成为一水合物，溶于水，不溶于乙醇，分子量为105.99。

硫酸铁：上海山海工学团实验二厂生产的分析纯Fe2(SO4)3·xH2O，白色或黄色粉末，易潮解，溶于水和醇，水溶液呈酸性，分子量为399.87(以无水盐计)。

硫酸镁：上海试四赫维化工有限公司生产的分析纯MgSO4·7H2O(≥99%)，白色结晶或粉末，味苦咸而凉，25℃时50 g/L的溶液pH为5.0～8.0，分子量为246.47。

硅酸钠：如皋市金陵试剂厂生产的分析纯Na2SiO3·9H2O，别名：偏硅酸钠，白色或灰白色块状物粉末，溶于水和碱溶液，由于水解，其水溶液呈强碱性，不溶于醇和酸，分子量为284.20。

纤维：规格为9 mm的聚乙烯醇(PVA)纤维。

2 污染淤泥的试验方法

2.1 固化稳定化试验

表4 淤泥固化土重金属浸出试验结果

通过pH的调整确定5个固化稳定化配比方案和原状土方案，分别为GW0(原状土)、GW1(粉煤灰+石灰+高岭土+纤维+硅酸钠+硫酸铁)、GW2(粉煤灰+石灰+高岭土+纤维+碳酸钠+硫酸铁)、GW3(粉煤灰+石灰+高岭土+纤维+硅酸钠+碳酸钠+硫酸镁+硫酸铁)、GW4(粉煤灰+石灰+高岭土+纤维+硫酸镁+硫酸铁)、GW5(粉煤灰+石灰+高岭土+纤维+硫酸镁)，其中粉煤灰+石灰+高岭土+纤维的掺量为10%(掺量以干泥质量百分比计)，其余部分掺量为6%。

采用5 mm×5 mm×5 mm试模，每种配比配制置3个平行试样，共配制18个试样。以固化体毒性浸出液铜、铅、镉等离子浓度减少率、渗透系数、中值粒径等为考察指标，探索重金属污染淤泥处理60 d后的固化稳定化机理。

2.2 种植试验

由于在冬天和初春开展试验，气候比较干冷，试验周期较短，因此选择耐寒、生长周期短的羽衣甘蓝幼苗作为植生性能研究对象。每个配比种植2盆，共种植12盆，每盆1株羽衣甘蓝。为了保证阳光充足，昼夜温度保持稳定，选用在2 m×2 m的透明花棚中进行，在花棚内设置温度计，可随时观察棚内温度，并适时通风。

种植试验主要研究植物的株高、根长、茎叶重量、生长速率、茎叶重金属含量和种植60 d后固化土中重金属离子浸出浓度变化等，从而筛选出适宜羽衣甘蓝生长的固化稳定化配比方案，探讨重金属污染淤泥用于种植的可行性。

3 试验结果与讨论

3.1 固化稳定化试验

3.1.1淤泥固化土渗透性

土壤中存在一定的空气和连通的输水通道是植物根部生长呼吸的前提条件。Taylor[21]提出土渗透系数和孔隙比存在半对数关系，并在软土工程中得到较多的应用。本文采用变水头渗透试验，在20℃室温中进行，测试不同掺量固化稳定化淤泥的渗透系数,结果如图1所示。

从图1中知，渗透性从大到小排序为GW5、GW3、GW4、GW2、GW1、GW0，其对应的中值粒径分别为0.067 mm、0.051 mm、0.044 mm、0.035 mm、0.038 mm和0.006 mm，基本可以说明粗颗粒含量越多，渗透性越好；GW5的渗透系数为10-4cm/s数量级，GW1～GW4的渗透系数均为10-5cm/s数量级，相比GW0原状样来说渗透系数提高了2～3个数量级，主要由于土体里加入纤维，随着土体里水的排出，一条条纤维形成一条条的渗水通道，导致淤泥固化土的渗透性增大。

3.1.2淤泥固化土浸出毒性

重金属毒性浸出试验浸提液为醋酸溶液(pH值为4.93±0.05)，通过试验来模拟固化体在酸性条件下或进入填埋场后重金属的浸出过程，了解各种淤泥固化土污染物的稳定性，试验结果如表4所示。从表4可以看出，固化土的毒性浸出稳定效果较好，浸出液为Ⅰ～Ⅲ类水(《地表水环境质量标准》[20]，下同)，而原状土浸出液为劣Ⅴ类水，固化土中重金属稳定性有不同程度提高。

统计各类固化土相较于原状土的重金属浸出质量浓度减少率如图2所示。由图2可知，8项重金属的浸出浓度均有不同程度的降低，可能由于疏浚淤泥在固化稳定化处理前，各项重金属都存在一定浓度的可溶可交换态，在掺入了石灰、粉煤灰、硅酸钠、碳酸钠等碱性材料，提高土体pH值，降低污染淤泥中的微生物和有机物含量，在微生物的分解代谢作用下，淤泥中的化学条件不断发生变化，从而稳定了重金属的形态[22]。超标重金属铜、铅、镉浸出减少效果最佳，铜、铅的浸出减少率超过95%，镉的浸出减少率超过85%，说明固化剂碳酸钠、硅酸钠、硫酸铁、硫酸镁的组合可以有效稳定游离态的铜、铅、镉等离子。GW3和GW4固化土浸出减少效果稍差，可能由于GW3和GW4组合中，pH分别为6.2和5.4，在酸性条件下，H+会破坏化产物和阻碍金属化合物的沉降，或与OH-发生反应而导致氢氧化钙浓度降低，进而促进水化产物的溶解，加速重金属的浸出[15]。

图2 各固化土不同污染物的浸出减少率

3.2 种植试验

3.2.1植生特性

羽衣甘蓝的平均株高、茎叶重量、根长、生长情况等如表5所示。观察羽衣甘蓝生长态势，通过植株生长速率曲线进行线性拟合，得到不同固化稳定化试剂作用下的生长趋势拟合系数如图3所示，羽衣甘蓝生长情况如图4所示。

表5 羽衣甘蓝植生性能观测结果

图3 不同配比下的羽衣甘蓝生长趋势拟合系数

图4 不同配比下的羽衣甘蓝生长情况

总体上，5个配比所种植的羽衣甘蓝，其平均株高、茎叶重量相比原状土长势更好。其中，GW2、GW3和GW4羽衣甘蓝的叶片颜色呈现鲜艳的紫色，生长趋势拟合系数分别为0.007 1、0.006 7和0.009 1，其余配比颜色较暗，尤其GW0颜色略微泛白。主要由于GW0渗透系数极小，仅普通锄松不能解决土壤根部呼吸问题，其土壤板结影响根部吸收水分和无机盐类，导致其植株特别矮小。此外，适量的铜可保障植物维持正常的光合作用和呼吸作用，但过量会对植物产生生物胁迫和非生物胁迫，如引起光合作用的改变、呼吸作用的异常等，从而影响植物的正常生长[19]，GW0的铜、铅、铬溶出超标，影响了羽衣甘蓝的光合作用和呼吸作用。

3.2.2植物茎叶重金属含量

由于淤泥在固化稳定化处理前铜、铅、镉溶出超标，因此，本文探讨这3种重金属的茎叶吸收情况，检测结果见表6。5组固化稳定化配比种植的羽衣甘蓝茎叶中的铜为1.5～4.9 mg/kg，相比GW0都有一定程度的减少，羽衣甘蓝茎叶中未检出镉、铅，进一步说明处理后土体中游离态的重金属含量减少，重金属稳定性提高，进入植物体内的重金属减少；GW2配比种植的羽衣甘蓝长势良好，其茎叶中的重金属含量最少，说明该配比对铜的固化稳定化效果较好，适宜作为羽衣甘蓝等绿化植物的种植土。

表6 不同试样土种植的羽衣甘蓝茎叶中的重金属 mg/kg

3.2.3种植后盆土中总氮、总磷和超标重金属的浸出结果

5种固化土浸出液中的总磷和总氮质量浓度如图5所示。从图5可以看出，5种固化土浸出液中总磷、总氮的质量浓度较GW0有所降低，说明固化对总磷、总氮的稳定也有一定的作用；GW2、GW3和GW4组浸出液中总磷、总氮质量浓度最小，而这3组羽衣甘蓝长势较好，可能由于这3组植株对N、P的吸收较多。

图5 各固化稳定化土浸出液中总磷和总氮质量浓度

种植羽衣甘蓝后，盆土浸出液中重金属铜、铅和镉的质量浓度见表7，重金属铅均未检出；相比种植前，GW0铜的浸出减少率接近100%，镉的浸出减少率超过85%；经过固化稳定化处理后，浸出浓度值较小，可能由于误差导致有几项浓度相比种植前有些许增加。该试验也进一步说明了经过处理后的淤泥固化稳定化效果较好。

表7 种植羽衣甘蓝后盆土浸出液中的重金属 mg/L

从表6和表7还可以看出，羽衣甘蓝茎叶中的铜、铅、镉含量和种植后盆土中的铜、铅、镉浸出质量浓度均较低，尤其是种植后GW0盆土中的铜、铅、镉浸出质量浓度相对种植前降低更为明显，可能由于GW0土壤在未种植前重金属铜、铅、镉的浸出质量浓度相对较高，而羽衣甘蓝对重金属有很强的富集能力[23]，同时重金属浓度未超过破坏根系细胞壁的范围，使得羽衣甘蓝根部在重金属的作用下产生保护性反应，增加了根系对铜、铅、镉等重金属的结合能力[24]，未转运至上部茎叶。

4 结论与建议

a. 疏浚淤泥在掺入固化稳定化剂和纤维后，土体渗透性大大增加，渗透系数从10-7cm/s提高到10-5cm/s和10-4cm/s，渗透系数提高了2～3个数量级，更适宜植物生长。

b. 掺入石灰、粉煤灰、高岭土、硅酸钠、碳酸钠、硫酸铁和硫酸镁等多种材料，调节pH，改变土体物理化学性能，对铜、锌、镍、铅、镉、总铬、汞、砷8项重金属均有固化稳定化作用，浸出量、浸出率均有明显降低且达到标准要求，其中，超标重金属铜、铅的浸出减少率超过95%，重金属镉的浸出减少率超过85%；GW1、GW2、GW5碱性较强，对重金属的固化稳定化效果更佳。

c. GW0的铜、铅、镉溶出超标，对羽衣甘蓝生长产生一定影响，导致GW0盆土种植的植株矮小、泛白；经过固化稳定化处理的淤泥更适宜羽衣甘蓝生长，其生长速率更快，植株生长更有活力，尤其是GW2、GW3和GW4配比；其中，GW2中进入植株体内的重金属最少，植株对N、P的吸收量也较多。

综合考虑固化稳定化效果和植生性能影响，GW2更适宜羽衣甘蓝等植物生长，因此建议以10%(粉煤灰+石灰+高岭土+纤维)+6%(碳酸钠+硫酸铁)为绿化植物种植应用的固化稳定化试剂优选方案，为后期污染淤泥的固化稳定化、资源化利用提供参考。但是，羽衣甘蓝根系、茎叶中的铜、铅、镉以何种形态存在，以及重金属在根系与茎叶内的转运关系如何，尚需进一步研究。